反坦克智能雷流場與氣動特性數值研究

王 妍,周春桂,王志軍,趙春龍,陳軍葵

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

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反坦克智能雷流場與氣動特性數值研究

王 妍,周春桂,王志軍,趙春龍,陳軍葵

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

文中建立了反坦克智能雷的三維模型,應用計算流體動力學軟件對智能雷進行數值仿真,分析了智能雷流場和氣動參數。發現智能雷的阻力系數會隨著迎角絕對值的增大而迅速增加,較大的偏航力系數將導致雷體翻轉或者偏離原彈道,智能雷周圍的流場變化很大,會使飛行處于不穩定狀態。仿真結果會有助于智能雷穩定性分析和氣動特性優化。

反坦克智能雷;流場;氣動特性;數字仿真

0 引言

反坦克智能地雷,屬于一種新型的靈巧制導彈藥。首先布雷裝置預先將智能雷投放到作戰區域,當雷體上的掃描裝置探測到坦克在識別區內行進時,發射裝置就會將智能地雷拋出,使其一邊掃描目標一邊撲向坦克目標最為薄弱的部位。智能雷殺傷區域半徑200 m左右,速度范圍20～100 m/s[1]。

通常,在進行氣動力特性研究時,智能雷可看作由本體和掃描器兩構件固連在一起的剛體,藥型罩和起爆裝置位于智能雷頭部。本體形狀簡化為圓柱形,掃描器簡化為立方體。

反坦克智能雷技術的發展是國內外學者共同努力的結果。西方國家已研制出馬扎克、XM-93等型號針對不同目標的武器系統。尹建平等從智能雷對目標毀傷效能角度對坦克目標進行易損性分析[2-3];張永生等根據目標速度以及目標與雷的距離確定了反坦克智能雷最佳作戰時間和地點[4];常變紅等通過仿真軟件變化發射初始條件、雷體質量和殼體參數來討論其對智能雷飛行過程的影響[5-6];劉紀東等評估了智能雷配合其他系統進行信息交換的作戰效果[7]。尹建平等發現使用多爆炸成型彈丸戰斗部技術可以更有效的擊穿集群坦克或裝甲車輛的頂部防護[8]。

而對于反坦克智能雷氣動力參數和流場分析的研究較少。文中基于典型反坦克智能雷,建立雷體三維模型,為了得到智能雷在不同攻角時的流場與氣動特性,探究攻角對智能雷飛行穩定性和氣動力的影響,對雷體質心速度為45 m/s、70 m/s、100 m/s的三維智能雷流場進行數值模擬。

1 計算模型

1.1 幾何模型

智能雷長細比一般很小,無曲線頭部,頭部為平頭或鈍頭,雷體全部為圓柱體。本次仿真中智能雷本體簡化為短圓柱,長徑比為0.8,掃描器簡化為立方體邊長為智能雷直徑的0.053,如圖1所示。

圖1 仿真使用的智能雷外形圖

1.2 三維區域

確定三維區域是為了確定空氣流場的計算域,本次計算域：長(x)為25倍彈徑,寬(y)為20倍彈高,高(z)為20倍彈徑的立方體,在計算域中部布置智能雷模型。采用非結構網格,數量193萬。為了使得在相同計算量時的計算更符合實際,對模型表面進行了邊界層控制,邊界層厚度是0.1 mm。雷體表面網格見圖2。

圖2 雷體局部網格示意圖

網格質量報告如圖3所示。

圖3 網格質量圖

1.3 求解方法

空氣動力學中一般將Ma小于0.3的流動稱作不可壓縮流動,因此求解器采用適用于低速繞流的壓力基求解器,離散方法為有限容積法,湍流模型采用Spalart-Allmaras,這是一種適合飛行器繞流模擬的模型。Viscos ity方程的差分格式選擇導彈外流場仿真常用的Second Order Upwind[9]。

2 仿真結果

2.1 參數設置

1)計算模型的參考長度L=0.015 m(圓柱高),參考面積S參=0.002 565 m2(軸向對稱面截面積),壓強P=101 325 Pa;

2)壁面(WALL)條件為默認值,邊界條件入口選定速度入口,出口選定壓力出口;

3)不設置各方程的殘差收斂標準,如果氣動力收斂則可認為結果收斂;

4)智能雷無旋轉速度。

2.2 氣動力結果與分析

計算了來流速度為45 m/s,70 m/s,100 m/s,攻角α=-30°～30°時的流場和氣動力參數。

圖4(a)是阻力系數隨攻角變化曲線。從圖中看出來流速度是定值時,阻力系數的曲線形狀近似余弦曲線。由于攻角絕對值越大,本體和掃描器兩部分迎風面積也越大,因此空氣阻力的大小隨著攻角絕對值增大而迅速增大。不同來流速度阻力系數值在攻角是一定時相差不大。

圖4(b)、圖4(c)是升力系數和俯仰力矩系數隨攻角的變化規律,智能雷在空中飛行時產生的升力很小,不同來流速度升力系數值沒有較大的變動。

圖4(d)是側向力系數隨攻角的變化規律,側力值較大,會使智能雷飛行過程中產生側偏。不同速度的側向力呈現的規律相同,差值很小。

2.3 流場分析

圖5(a)～圖5(c)分別為v=70 m/s時,α=-10°～10°,攻角平面流場的等壓線圖。

在α=0°時,在智能雷左側吹風,迎風面形成高壓區,氣流繞流雷體后,產生膨脹,在智能雷頭部和尾部形成低壓區。攻角增大后,迎風面的高壓區范圍縮小,并向雷體頭部方向移動,而雷體尾部低壓區范圍擴大并與右側背風面低壓區融為一體,頭部低壓區向左側移動。這一現象會使智能雷有縱向抬頭趨勢。攻角減小時,左側迎風面高壓區向智能雷尾部移動,尾部低壓區向左側移動,會使智能雷有縱向低頭趨勢。頭部低壓區逐漸擴大與右側背風面低壓區融為一體。雷體周圍壓力劇烈的變化將會使智能雷飛行穩定性變差,尤其當智能雷飛行速度增大時。

圖4 計算的氣動力系數

圖5 v=70 m/s不同攻角下攻角平面壓力圖

4 結論

文中探討了攻角變化角度對反坦克智能雷氣動特性的影響,數值計算結果一定程度上反映了智能雷的空氣動力特性,可以為進一步改進和優化智能雷穩態掃描平臺提供依據和參考。智能雷動態特性與靜態有差異,有必要進行更為系統的風洞實驗,結合數值模擬方法研究反坦克智能雷的氣動特性。

[1] 尹建平, 王志軍. 彈藥學 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2012.

[2] 尹建平, 王志軍. MEFP智能雷攻擊坦克頂甲的毀傷模型 [J]. 彈箭與制導學報, 2002, 22(2): 137-139.

[3] 尹建平, 王志軍. MEFP智能雷攻擊坦克頂甲的兩種毀傷模型對比分析 [J]. 彈箭與制導學報, 2004, 24(1): 49-51.

[4] 張永生, 馬小青, 林永生. 反坦克智能雷武器系統最佳射擊點分析 [J]. 彈箭與制導學報, 2004, 24(4): 33-35.

[5] 常變紅, 尹建平, 王志軍. 雷體質量對智能雷掃描軌跡的影響 [J]. 彈箭與制導學報, 2006, 26(4): 150-153.

[6] 常變紅, 尹建平, 王志軍. 雷殼體參數的正交優化設計 [J]. 中北大學學報, 2009, 30(5): 425-429.

[7] 劉紀東, 王志軍. 反坦克智能雷場作戰效能分析的排隊論模型 [J]. 華北工學院學報, 2005, 26(2): 111-114.

[8] 尹建平, 王志軍. 智能雷爆炸成型彈丸戰斗部研究 [J]. 彈箭與制導學報, 2005.25(3): 49-50.

[9] 于勇. FLUENT入門與進階教程 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2011.

[10] 李婧偉, 吳國東, 王志軍, 等. 傘形阻力器一維彈道修正彈氣動特性分析 [J]. 彈箭與制導學報, 2014, 34(6): 123-126.

[11] 魏波, 吳國東, 王志軍, 等. 新型一維彈道修正機構的設計 [J]. 彈箭與制導學報, 2014, 34(6): 79-82.

[12] 徐永杰, 吳國東, 劉強, 等. 增阻式一維彈道修正彈氣動分析 [J]. 彈箭與制導學報, 2013, 33(6): 133-136.

Numerical Research on Flow Flied and Aerodynamic Characteristics ofAnti-tank Intelligent Mines

WANG Yan,ZHOU Chungui,WANG Zhijun,ZHAO Chunlong,CHEN Junkui

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

A three-dimensional model of anti-tank intelligent mine was established. Computational fluid dynamic software was applied in numerical simulation on flow flied and aerodynamic characteristics of intelligent mines. Results show that drag coefficient of the intelligent mine will increase rapidly with increase of absolute value of angle of attack, large yawing force coefficient will make mine body flip or deviate from original trajectory, the flow field of intelligent mine changes a lot, which can make the flight be in unsteady state. The simulations results can provide help for stability analysis and aerodynamic characteristics optimization of intelligent mine.

anti-tank intelligent mines; flow flied; aerodynamic characteristics; digital simulation

2015-04-15

王妍(1990-),女,山西呂梁人,碩士研究生,研究方向:火炮、自動武器與彈藥工程。

TJ011.2;TJ412.3

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